导读2022年1月18整理发布:科学家们在长时间的观测和研究论证的过程中,逐渐将反映宇宙中物质变化和相互作用的影响因素,归结为4种基本作用力的

2022年1月18整理发布:科学家们在长时间的观测和研究论证的过程中,逐渐将反映宇宙中物质变化和相互作用的影响因素,归结为4种基本作用力的功劳,即万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力,这4种基本作用力可以说是维持宇宙万物运行的秩序规则,并非只有引力一种。

对于电磁力来说,这是宇宙中大部分物质所具有的一种作用力,它广泛存在于微观领域,是使原子核与核外电子结合在一起的重要力量,其主要表现模式为电与磁的交互作用。由于从本质上来看,无论是摩擦力、还是光线,都属于电磁力作用的范畴,因此电磁力是我们观察和认知这个世界最重要的媒介。

对于强相互作用力来说,又被称为强核力。原子中质子带正电荷、电子带负电荷,而中子不带电荷,这就需要在原子核中,有一个力维持着质子和中子的结合,使它们能够牢固地聚集在一起,而强核力就提供了这样一种功能。强核力是4种基本作用力中作用最强,但力程最短的一种力。

对于弱相互作用力来说,又被称为弱核力。它有效保障了原子核外的电子不会在异性电荷相吸的作用下而坠入原子核内,同时又可以通过调控原子核内的质子状态,比如将上夸克演变为下夸克即质子变为中子,或者将下夸克演变了上夸克即中子变为质子,达到稳定原子核结构的目的,而推动这种演变的驱动力就是弱相互作用力,这种力的作用虽然较弱,但仍比引力要强一些。

对于引力来说,这是我们日常生活中接触也非常多的一种作用力,它表现在两个有质量的物体之间有相互吸引的趋势,这个在宏大的天体之间表现得比较突出,引力的大小与质量成正比,与距离成反比。引力是4种基本作用力中最弱的一员,同时却是力程最远的一个存在。

在发现4种基本的作用力之后,科学界有一个非常活跃的领域,那就是想方设法对这4种基本作用力进行统一,力图想用统一的模型将这4种力进行“融合”,这就是大统一理论的形成背景。截至目前,科学家们已经将强核力、弱核力和电磁力已经被实验证实可以统一成同一种相互作用,但是引力似乎非常特立独行,仍然没有与其它作用力进行统一的证据存在。

对于引力来说,这也是众多不同领域的科学家在很早以前就发现存在的一种力作用形式。比如,亚历士多德建立了一套不同质量的物体是以不同的速度下落的理论;伽利略推翻了他的结论,认为在忽略空气阻力的情况下,所有物体在下落时的规律相同;牛顿在发现地心引力之后进一步拓展形成万有引力定律,以数学公式的形式表达出物体之间引力的对应关系;之后爱因斯坦在狭义相对论的基础上,提出了广义相对论,对引力产生的原因进行了阐述,即有质量的物体对周围空间的曲率产生影响,使时空产生弯曲,其它物体则沿着弯曲后的曲线(测地线)做着最短路程的运动。

按照统一场的理论,4种基本作用力之所以能够形成并发挥作用,原因在于它们周围空间存在着对应的场,而这4种力场及4种作用力,都是由于在相对应的空间中物体的运动所引发的。对于目前还没有被统一场“融合”的引力,其究竟是何原因所产生,有两种主要的解释理论,其中第一个是试图利用粒子物理标准模型,因为其它3种力都已经找到了相对应的基本粒子,比如电磁力通过光子传递,强核力通过胶子传递,弱核力通过W和Z玻色子传递,因此就假设在引力场中,通过“引力子”的存在来传递引力的作用,而这个“引力子”属于玻色子,质量为零,运动速度为光速。但是经过这么多年的监测努力,“引力子”都没有找到它存在的任何证据。

广义相对论认为,如果宇宙空间中不存在物质,那么空间将是完全平坦的,可以用欧氏几何描述,而如果存在物质,那么物质就会使时空发生弯曲,就得用非欧几何进行描述,当然宇宙中是不可能不存在物质的。爱因斯坦的广义相对论,提出了引力产生的更深层次的原因,即时空的扭曲,并且已经被诸多实验来验证出空间扭曲和光线偏折的正确性,因此从目前来看,广义相对论是对引力的产生根源的主流观点,通过广义相对论,爱因斯坦预测了黑洞和引力波的存在,后来都被科学家们所证实。

但是,我们仍然要看到,广义相对论的时空扭曲,也是建立在质量基础之上,这与万有引力“同出一辙”,而针对质量为何会产生时空的扭曲,即这种质量效应产生的再深层次根源方面还无法进行论证,因此,即使广义相对论取得了巨大成绩,但与量子力学还是不相容,引力和电磁力相互统一的目标,始终像有一道鸿沟难以逾越一样。因此,如何实现引力量子化,将是统一4种基本作用力、从更深层次揭示引力本质的终极目标,这将是科学家们下一步努力的方向。